Modelling of surface water and groundwater exchange and denitrification process in the alluvial plain area at the catchment scale
Modélisation des échanges nappe-rivière et du processus de dénitrification dans les plaines alluviales à l'échelle du bassin versant
Résumé
Nitrate pollution in surface water and groundwater systems has attracted worldwide attention in recent decades. Recharged groundwater infiltrating through cultivated fields is an important source of the nitrate contamination of surface water. As alluvial plains support intensive agricultural activities, they often suffer from groundwater nitrate pollution. The exchanges between surface water and groundwater (SW-GW) were proved contributing to nitrate retention and/or transformation in the land-surface water continuum. The understanding and quantifying of nitrate attenuation processes occurring at the surface-groundwater interface would enhance understanding of nitrogen cycling at the catchment scale. The objectives of this thesis were: 1) quantifying the exchanged SW-GW volume in the floodplain area at the catchment scale and 2) quantifying the shallow aquifer denitrification rate in the floodplain area at the catchment scale and evaluating its influence on the nitrate flux in the river. Field sampling and modelling study were conducted to achieve these objectives. Monthly field work campaigns were carried out from April 2013 to March 2014 at the Monbéqui site in the Garonne river floodplain. The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) which has been successfully applied all over the world was chosen to simulate the hydrologic processes and nitrogen cycle. However, the simulation of the water exchange between river and groundwater occurring in the floodplain area was not simulated in the original SWAT model. Firstly, the Darcy’s equation was implemented to simulate SW-GW exchanges based on the Landscape Unit (LU) structure in the floodplain area. The influence of flooding on the water exchange was also introduced to the model. The modified model was called SWAT-LUD and was applied to a meander of Garonne floodplain – Monbéqui (around 25 km2). Then, another module representing the denitrification processes in the floodplain shallow aquifer was developed and added to the SWAT-LUD model. The nitrate flux and shallow aquifer denitrification rates in Monbéqui was then quantified. Afterwards, the SWAT-LUD model was applied to the middle floodplain section of the Garonne River (around 4 600 km2) and the influence of shallow aquifer denitrification on the nitrate flux in the river was quantified. Lastly, the model was applied to the entire Garonne catchment (around 51 500 km2) and the hydrologic influence of SW-GW exchanges was evaluated. The results showed that the SWAT-LUD model could satisfactorily represent the SW-GW exchanges and shallow aquifer denitrification rate at different spatial scales. The main water flow direction is from the shallow aquifer to the river, with water flowing in this direction accounted for around 65% of the total exchanged water volume. In the Garonne catchment, the annual total exchanged water volume represented around 5% of the total discharge volume of the Garonne river. For the Monbéqui site, the simulated annual denitrification rate in the riparian zone was around 130 kg N-NO3-ha-1y-1. Around 40% of the nitrate input in this zone was degraded through denitrification. In the middle floodplain section, the annual denitrification rate in the near bank zone ranges from 55 to 120 kg N-NO3-ha-1y-1.
La pollution par les nitrates des eaux de surface et des eaux souterraines a suscité une attention mondiale ces dernières années. La recharge des eaux souterraines via d’infiltraiton dans les zones cultivées est une source importante de la contamination des eaux de surfaces. Les plaines alluviales supportent une activité agricole intensive et subissent une pollution aux nitrates importante. Il a été démontré que les échanges entre les eaux de nappes et la rivière contribuent à la rétention et/ou transformation de l’azote dans le continuum eaux de surface-eaux souterrains. La compréhension et la quantification des processus d’atténuation des concentrations en nitrates se produisant à l’interface nappe-rivière permettraient d’améliorer la connaissance du cycle de l’azote à l’échelle du bassin versant. Les objectifs de cette thèse sont : 1) quantifier les volumes d’eau échangés entre la rivière et l’aquifère alluvial dans les zones de plaine alluviale à l’échelle du bassin versant et 2) quantifier les taux de dénitrification dans les nappes alluviales à l’échelle du bassin versant et évaluer leurs influences sur les flux de nitrates de la rivière. Un échantillonnage sur le terrain ainsi qu’un travail de modélisation ont été effectués pour atteindre ces objectifs. Les campagnes d’échantillonnages sur le terrain ont eu lieu d’avril 2013 à mars 2014 sur le site d’étude de Monbéqui dans la plaine alluviale de la Garonne. Le modèle Soil and Water Assessment Tool (SWAT) qui est largement utilisé à travers le monde a été choisi pour simuler les processus hydrologiques et le cycle de l’azote. Cependant, la simulation des échanges nappe-rivière qui se produisent dans la plaine alluviale n’est pas prise en compte dans la version originale de SWAT. Premièrement, l’équation de Darcy a été introduite pour simuler les échanges nappe-rivière à partir de la structure Landscape Unit (LU). L’influence des crues débordantes sur ces échanges a également été ajoutée dans le modèle. Le modèle modifié, SWAT-LUD, a d’abord été appliqué à un méandre de la plaine alluviale de la Garonne- Monbéqui (25 km²). Ensuite, un module supplémentaire représentant les processus de dénitrification dans les aquifères peu profonds des nappes alluviales a été développé et ajouté au modèle SWAT-LUD. Les flux de nitrates ainsi que les taux de dénitrification de l’aquifère alluvial de Monbéqui ont alors été quantifiés. Dans un deuxième temps, le modèle SWAT-LUD a été appliqué à l’échelle de la plaine alluviale de la Garonne dans son cours moyen (environ 4600 km²) et l’influence de la dénitrification de l’aquifère alluvial sur les flux de nitrates de la rivière a été quantifiée. Finalement, le modèle a été appliqué sur l’ensemble du bassin versant de la Garonne (environ 51 500 km²) et l’influence des échanges nappes-rivières sur le cycle hydrologique du bassin versant a été évaluée. Les résultats ont montré que le modèle SWAT-LUD pouvait représenter de façon réaliste les échanges nappe-rivière ainsi que les taux de dénitrification dans les aquifères alluviaux à différentes échelles. Les flux échangés vont majoritairement de l’aquifère vers la rivière et contribuent pour 65% du volume total échangé. À l’échelle du bassin versant de la Garonne, le volume annuel échangé entre la nappe et la rivière représente environ 5% du débit annuel de la Garonne. A l'échelle du méandre, le taux annuel de dénitrification dans la zone riparienne a été estimé à environ 130 N-NO3-.ha-1.an-1. Près de 40% des nitrates arrivant dans cette zone ont été dégradés via les processus de dénitrification. Dans le cours moyen de la Garonne, les taux de dénitrification annuels dans ces mêmes zones varient entre 55 et 120 kg N-NO3- .ha-1.an-1.